Earticle

A FBG wavelength demodulation system based on the continuous dynamic scanning of tunable distributed feedback (DFB) laser is put forward and implemented. First, this paper introduces the basic principle of FBG wavelength demodulation system; second, the demodulation algorithm as the key of whole system is realized and compiled into DLL files by using the C programming language, then the Labview program calls for DLL files through a dynamic link library to establish a data processing program, including a interactive data processing interface. Not only it improves the accuracy of FBG wavelength demodulation system, also it helps the subsequent development on the system even though the hardware equipments keep invariant. The results show that the demodulation system has a fine resolution and stability, which can meet the practical requirements and be suited to produce in business and put into use in the engineering.

2개의 플라즈마 다중모드 간섭 결합기 (P-MMIC)와 DFB 전송구조를 결합하여 하나의 새로운 초소형 광 편 향기를 구현하였다. 2×1과 1×2 P-MMIC를 연결하는 내부 DFB 구조로부터 반사되거나 투과되는 TE, TM 모드 들 의 편향된 전력들을 P-MMIC를 통하여 출력되도록 설계하였다. 수치해석 결과 설계된 DFB 구조형 플라즈마 다중모 드 간섭 결합기의 크기는 약 75 um로 매우 작았으며, 낮은 삽입손실과 높은 분리비율을 보였다. 더욱이, DFB 전송 구조의 대역폭은 약 20 nm로 광대역 특성을 나타내었다.

A novel ultracompact polarization beam-splitter (PBS) combining two plasmonic multimode interference couplers (P-MMICs) and DFB guiding structure is implemented. The 2×1 and 1×2 P-MMICs are designed to collect the polarized powers of TE and TM modes reflected by or transmitted through an internal DFB structure. The simulation results show that the designed DFB-assisted PBS is very short (about 75 um), and has a low insertion loss, a high extinction ratio, and a broad bandwidth of 20 nm.

본 연구에서는 1.55um의 파장을 갖는 DFB 레이저 다이오드에서 이득 격자와 굴절률 격자가 동시에 존재할 때, 오른쪽 거울면에 무반사 코팅을 하여 Pr=0 이 되도록 하였다. δL < 0 인 경우일 때, 발진 모드에 대하여, 발진 주 파수와 발진 이득의 특성을 해석했다. 좌측 거울면 상에서 격자의 위상이 π에서부터 π/2 씩 연속적으로 감소할 때마 다, 각 발진 모드의 (αL, δL) 그래프 선들이 좌측으로 δL 값이 약 0.6 정도씩 낮아지고 있음을 볼 수 있다. 문턱 이득이 가장 낮은 발진 모드의 경우는 kL = 10인 경우이고, 이때 모드 선별성은 다른 kL 값의 경우와 비교할 때 상대적으로 낮다. 모드 선별성이 우수한 경우는 kL = 0.1에서부터 kL = 6 정도까지이고, 모드 선별성이 우수할수록 주파수 안정성이 우수하다. 두 개의 벽개면을 갖는 경우와 비교하면, 무반사 코팅을 한 DFB 레이저 다이오드는, 발 진 모드의 문턱 이득은 약 2배 정도로 높아지지만 모드 선별성 측면은 2배 정도 더 우수해 진다.

In this paper, when a gain grating and a refractive index grating exist simultaneously in a DFB laser diode having a wavelength of 1.55 μm, an anti-reflection coating is applied to the right mirror surface so that Pr=0. In case of δL < 0 , the characteristics of the oscillation frequency and oscillation gain have been analyzed. Whenever the phase of the grating on the left side of the mirror continuously decreases by π/2, the δL value of each oscillation mode decreases by about 0.6 to the left of the graph lines of each oscillation mode. The case of the oscillation mode having the lowest threshold gain is the case of kL = 10, and in this case, the mode selectivity is relatively low compared to the case of other values of kL. From kL = 0.1 to kL = 6, the mode selectivity and the frequency stability are excellent. As the mode selectivity is excellent, the frequency stability is excellent. Compared to the case with two cleaved mirrors, the DFB laser diode with anti-reflection coating increases the threshold gain of the oscillation mode by about 2 times, but the mode selectivity becomes about 2 times better.

본 연구에서는 1.55um의 파장을 갖는 DFB 레이저에서 굴절률 격자와 이득 격자가 동시에 존재할 때, 오른쪽 거울 면에 반사가 일어나지 않도록 유전막 코팅을 하여 Ρr=0 이 되도록 하였다. δL>0인 경우일 때, 발진 모드에 대하여, 발진 주파수와 발진 이득의 특성을 해석했다. 좌측 거울면의 격자 위상이 π에서부터 π/2씩 계속 감소할 때, 각 모드의 그래프 선들이 좌측으로 조금씩 이동한다. 발진 모드의 문턱 이득이 가장 낮은 경우는 kL=10인 경우이고, 이때 모드 선별성은 상대적으로 낮다. 모드 선별성이 우수한 경우는 kL=0.5에서부터 kL=6 정도까 지이고, 이 경우 주파수 안정성이 우수하다. 두 개의 벽개면을 갖는 경우와 비교하면, 한 개의 무반사면을 갖는 경우, 발진 모드의 문턱 이득이 증가하지만 모드 선별성은 2배 정도 더 우수해 진다.

In this paper, when a refractive index grating and a gain grating were simultaneously present in a DFB laser having a wavelength of 1.55 μm, a dielectric film coating was applied so that reflection did not occur on the right mirror surface, so that Ρr=0. In case of δL>0, the characteristics of the oscillation frequency and oscillation gain were analyzed. When the grating phase of the left mirror surface continues to decrease from π, the graph lines of each mode gradually shift to the left. In case of kL=10, the threshold gain of the oscillation mode is the lowest. In this case, the mode selectivity is relatively low. From kL=0.5 to kL=6, the mode selectivity and the frequency stability are excellent. In the case of DFB lasers with an anti-reflection coated mirror, the threshold gain of the oscillation mode increases but the mode selectivity is about twice as excellent, compared with DFB lasers of having two cleaved facets.

본 연구에서는 무반사 코팅을 하지 않은, 두 개의 거울 면을 갖는 1.55um 파장용 DFB(Distributed Feedback) 레이저에서 굴절률 격자와 이득 격자가 동시에 존재할 때, 해석 프로그램을 개발하여 종 방향으로 발진 모드의 빔 분 포를 해석하였다. 굴절률 격자와 이득 격자가 거울 면에서 갖는 위상 값의 변화에 따라서, δL < 0인 경우에 대하여, DFB 레이저의 발진 모드에 대한 발진 이득, 빔 분포 | R(z) | 와 | S(z) |, 그리고 방사전력비 Pl／Pr 를 비교 분석하 였다. 거울 면에서의 격자 위상 값에 관계없이 발진 모드의 문턱 전류를 낮추고 주파수 안정성을 높이기 위해서는, kL이 8보다 커야한다.

In this paper, when a refractive index grating and a gain grating are simultaneously present in a DFB (Distributed Feedback) laser for a 1.55 um wavelength with two mirror surfaces without an anti-reflective coating, an analysis program was developed to determine the beam distribution of the oscillation mode in the longitudinal direction. As the phases of the index and gain gratings on the mirror faces are varied, the lasing gain and the beam profiles | R(z) |and | S(z) | of the lasing mode with the emitted power ratio Pl／Pr are analyzed and examined in case of δL < 0. In order to reduce the threshold current of a oscillation mode and enhance the frequency stability, kL should be greater than 8, regardless of the grating phase values at the mirror surface.

고유치 문제에 기초한 모드 전송선로 이론 (Modal Transmission-Line Theory: MTLT)을 이용하여 비대칭 정방형 격자로 구성된 광 도파로의 누설특성과 Bragg 조건들을 정확하게 분석하였다. 비대칭 정방형 격자로 구성된 광 도파로는 Bragg 조건들에서 leaky-wave stop-band가 나타났으며, Bragg 조건 근처에서 Rayleigh-Wood 조건에 기 인한 anomalies 현상이 발생함을 보였다. 또한, 주기적인 격자구조의 특성 임피던스에 기초한 종 방향 등가 전송선로를 구성하여 광 도파로의 DFB 특성을 Bragg 조건에서 분석하였다. 분석 결과, leaky-wave stop-band가 발생하는 Bragg 조건 근처에서 DFB 도파로의 반사전력이 최대가 되는 filtering 특성이 활성화되는 것을 확인하였다.

Leakage and Bragg condition of optical waveguide with asymmetric rectangular grating profile are evaluated in detail by using novel and rigorous modal transmission-line theory (MTLT) based on eigenvalue problem. The optical waveguide composed by asymmetric rectangular grating occur leaky-wave stop-bands at Bragg conditions, and anomalies based on Rayleigh-Wood condition near Bragg conditions. Furthermore, DFB properties of the guiding structure at Bragg conditions are analyzed by applying longitudinal equivalent transmission-line with characteristic impedance of periodic grating. The numerical results show that filtering characteristics that maximize the reflected power of DFB waveguide are activated near Bragg conditions, in which leaky-wave stop-bands occur.

본 연구에서는 1.55um의 파장을 갖는 DFB 레이저에서 굴절률 격자와 이득 격자가 동시에 존재할 때, 오른쪽 거울 면에 반사가 일어나지 않도록 유전막 코팅을 하여 Ρr =0 이 되도록 하였다. δL > 0 인 경우일 때, 문턱에서 발 진 모드에 대하여, 발진 이득과 종 방향으로의 발진 모드의 빔 분포와 방사전력비 Pl/Pr를 Ρl의 위상=π인 경우와 Ρl의 위상=π/2인 경우에 대하여 비교했다. Ρl의 위상=π인 경우, 낮은 문턱 전류와 높은 주파수 안정성을 얻기 위서는, kL이 8보다 커야 한다.  Ρl의 위상=π/2인 경우, kL = 4보다 커지면서 Ρl의 위상=π인 경우보다 발진 이 득이 낮아지기 시작함을 볼 수 있고, 발진 모드의 문턱 전류를 낮추고 주파수 안정성을 높이기 위해서는, kL이 8보 다 커야한다.

In this paper, when a refractive index grating and a gain grating were simultaneously present in a DFB laser having a wavelength of 1.55 μm, a dielectric film coating was applied so that reflection did not occur on the right mirror surface, so that Ρr =0. In case of δL > 0, the threshold gain and the beam distribution in the longitudinal direction and the radiated power ratio Pl/Pr of the oscillation mode were compared for the cases of the phase of Ρl =π and π/2. If the phase of Ρl =π, in order to obtain a low threshold current and high frequency stability, kL should be greater than 8. In the case of the phase of Ρl =π/2, when kL is larger than 4.0, the oscillation gain starts to be lower than when the phase of Ρl =π. In order to lower the threshold current of a oscillation mode and enhance the frequency stability, kL should be greater than 8.

2단으로 구성된 DFB 레이저의 정적 및 동적 작용을 분석하기 위하여 종방향 모드 전송선로 이론 (L-MTLT)을 이용하였다. 활성영역을 갖는 DFB 구조의 특성 임피던스와 등가 전파상수를 L-MTLT에 기초하여 유 도하였다. 2단으로 구성된 DFB 레이저가 전송선로 망으로 유사화 되었으며, 각 단은 그에 대응하는 등가 요소들로 등 가화된 전송선로 블록으로 나타내었다. 등가 전송선로 망에 기초한 DFB 레이저의 종방향 공진 조건 (resonance condition)이 레이트 방정식 (rate equation)을 재구성하기 위하여 사용되었으며, 이를 이용하여 활성여역을 갖는 2단 DFB 레이저의 정적 및 동적 작용을 자세하게 분석하였다.

A longitudinal modal transmission-line theory(L-MTLT) to analyze the static and dynamic behavior of two-section distributed feedback (DFB) lasers is used. The characteristic impedance and equivalent propagation constant of DFB structure with active layer are derived from L-MTLT. A two-section DFB laser is analogous to a transmission-line network, in which each section is described by transmission-line block corresponding to the equivalent factors. The longitudinal resonant condition of DFB laser based on equivalent transmission-line network is used to reformulate the rate equations so that static and dynamic behavior of two-section DFB lasers with active layer is demonstrated and analyzed accurately.

Optical filtering characteristics of planar distributed feedback (DFB) guiding structures which have L/4 phase-shift region, are evaluated by using the equivalent network based on a newly developed concept of Floquet’s theorem and bisection principle (Babinet’s theorem). The numerical results reveal that this method offers a simple and convenient algorithm to analyze the filtering and oscillating characteristics of L/4 phase-shifted DFB configurations as well as decreases dramatically the computational time.

주기가 다른 격자들로 구성된 평면 DFB 도파로의 필터 특성들을 등가 전송선로 망을 사용하여 구현하였다. 대역 필터 특성과 공진 특성을 정확하게 분석하기 위하여 Floquet 이론과 Babinet 원리에 기초한 종방향 모드 전송선 로 이론 (L-MTLT)을 제시하였다. 수치해석 결과, 본 논문에서 제시한 해석법은 주기가 다른 격자들로 구성된 DFB 도파로의 필터 특성들을 분석하기 위한 간단한 수치 해석적 알고리즘을 제공하였으며, DFB 필터의 대역폭과 사이드 로브의 억압특성 각 영역에서의 격자개수와 격자 종횡비 (aspect ratio)에 민감하게 의존함을 보였다.

The filtering characteristics of planar distributed feedback (DFB) waveguides composed by gratings with different period are solved using equivalent transmission-line network. To analyze explicitly its band-pass and resonance properties, a longitudinal modal transmission-line theory (L-MTLT) based on Floquet’s theorem and Babinet’s principle is newly developed. The numerical results reveal that this approach offers a simple and analytic algorithm to analyze the filtering characteristics of cascaded DFB structure with different period, and the bandwidth and side-lobe suppression of cascaded DFB filter are sensitively dependent on the variation of aspect ratio and the number of grating at each region.

Normalized gain difference for index-coupled and quarter wavelength shifted DFB lasers for various facet reflectivities are calculated as a function of facet phases.

현대 시대에 광통신 시스템은 안정적이고 높은 단일 모드를 갖는 광원을 필요로 한다. 이 조건을 만족하는 λ／4 phase shifted DFB는 높은 단일모드 생성을 보였으나 high spatial hole burning문제점을 가지고 있다. λ／4 phase shift를 사용하지 않은 dual-pitch grating DFB가 소개되었지만 제작상의 어려움을 가지고 있다. 또 다른 구조인 selection-free tapered stripe DFB lasers가 제안되었는데 제작이 간단하면서도 높은 단일모드 생성을 보였다. (중략)

대용량의 정보를 고속으로 처리하는데 있어서 기존의 전자소자 성능은 제한이 있기 때문에 광소자의 개발과 그 응용에 대한 관심이 증가하고 있다. 광쌍안정 소자는 파장 변환기, 광클럭 발생기, 광신호 재생기, 광논리소자, 광메모리 등의 광 기능소자에 이용될 수 있다. 광쌍안정 소자는 매질의 비선형 특성과 궤환 구조를 필요로 하며, 주요 메커니즘에 따라 흡수형 광쌍안정 소자와 분산형 광쌍안정 소자로 구별된다. (중략)

QWS-DFB 레이저에서 단일 주파수 동작 안정성을 결정하는 문턱 이득 차이와 축 방향 광자 분포, 균일성을 동시에 나타내는 통합된 설계 변수로서 광자 분포 중심을 정의하고, 이 광자 분포 중심이 문턱 이득 차이와 광자 분포의 균일성과 어떻게 연관되는지를 유효 굴절률 전달 매트릭스 방법으로 보였다. 또, 이로부터 단일 주파수 동작 안정성을 최대화하는 설계 원칙을 제시하였다. 그리고 이 설계 원칙을 적용한 예로서 100% 단일 주파수 동작 수율을 보이는 결합계수의 범위를 넓힌 ,sampled grating QWS-DFB 레이저 구조를 제안하였다. 이 레이저 구조는 단일 주파수 동작을 하는 결합계수의 범위가 좁다는 QWS-DFB 레이저의 문제점을 해결하는 길을 제시하였다.

Center of photon mass, defined as the center of axial photon distribution in each half, is proposed as a unified design parameter in quarter wavelength shifted(QWS) DFB lasers. Shown is the way the parameter is related to the threshold pain difference and uniformity in axial photon density, which determine single-frequency stability of DFB lasers. Also, a general rule for single-frequency DFB laser design is presented. Using the design rule, we propose a sampled grating QWS-DFB laser that has a wider $_KL$ range 0f 100% single-frequency yield.

저 반사면-고 반사면 DFB 레이저에서 발전 모드의 문턱이득과 축 방향 광자 분포 균일성을 동시에 나타내는 통합된 설계 변수로서 광자 분포 중심(CPM, conter of photon mass)을 제안하였다. 이러한 통합된 설계 변수가 필요한 것은 발진 모드의 문턱이득과 광자 밀도의 최대값과 최소값의 비, 즉 광자 밀도 비가 서로 독립적이지 않고 깊이 연관되어 있기 때문이다. 제안된 CPM은 발진 모드의 문턱이득과 반비례 관계에 있으며, 그 값이 0.5일 때 축 방향 광자 분포가 가장 균일하다. 또 문턱이득 차이는 주 모드의 CPM과 곁 모드의 CPM은 0.5로 맞추어 광자 분포를 균일하게 하고 곁 모드의 CPM은 최소화하여 주 모드와의 문턱이득 차이를 크게 해야 한다. 이를 위하여는 조절 가능한 회절격자 구조 변수가 더 필요한데 sampled grating이 그 수단으로 제시되었으며, 문턱이득 차이를 증가시키는 데에 사용될 수 있음을 보였다.

Center of photon mass(CPM), defined as the center of axial photon distribution, is proposed as a unified design parameter, which contains information about both threshold gain and nonuniformity of axial photon distribution in DFB lasers with low and high-reflection facets. The CPM is inversely proportional to threshold gain and is 0.5 when axial photon distribution is the most uniform. Therefore, a general rule of single-frequency leser design is that main mode CPM should be around 0.5 for-uniform axial photon distribution and side mode CPM should be minimized to maximize the threshold gain difference.

단일 모드 반도체 레이저(DFB 레이저)를 5 GHz의 반복율로 이득 스위칭하여 얻은 광 펄스를 압축하여 변환 제한된 초단 광 펄스를 생성하였다. 이득 스위칭된 광 펄스의 최소 폭은 27 psec 이고 스펙트럼 폭은 1.1 nm로 펄스에 많은 선형 처핑과 비선형 처핑이 존재한다. 이를 대역폭이 펄스의 스펙트럼 폭보다 좁은 0.55 nm의 광 필터에 통과시켜 비선형 처핑을 제거하고 분산 보상 광섬유로 압축하여 7.1 psec의 광 펄스를 얻었다. 이때 펄스의 시간-대역폭 곱은 0.49로 변환 제한된 가우시안 펄스이다. 이러한 변환 제한된 광 펄스는 40 Gbit/s 광 시분할 다중화 방식 광통신용 광원으로 사용할 수 있다.

The transform limited optical short pulses are generated by compression of pulses from a gain switched distributed feedback laser at 5 GHz repetition rate. The gain-switched pulses have the minimum pulse width of 27 psec with the spectral width of 1.1 nm. Thus the output pulses have a large amount of linear chirp and nonlinear chirp. We suppress the nonlinear chirp by passing the pulses through the optical band pass filter with 3 dB band width of 0.55 nm which is narrower than spectral width of the input pulses and generate 7.1 psec pulses by compressing the output with the dispersion compensating fiber. The pulses have time-bandwidth product of 0.49 which is close to the transform limited gaussian pulse. These pulses can be utilized as optical sources in 40 Gbit/s time division multiplexed optical transmission system.

단주기 격자를 이용한 광섬유 레이저는 차세대 대용량 파장분할 통신과 광 CATV 방송망에 대한 DFB 반도체 레이저의 대체 광원으로 많은 연구가 진행되고 있다. 좁은 파장영역에 대한 선택적 반사특성을 가지는 광섬유 단주기 격자의 특성을 이용하면 간단한 구조의 고출력을 가지면서 낮은 잡음의 수백 kHz대의 짧은 주파수 폭을 가지는 광섬유 레이저를 얻을 수 있다. 또한 반도체 DFB 레이저에서는 구현하기 어려운 정밀한 파장 선택성을 가지는 광섬유 레이저를 구현할 수 있다. (중략)

완전 광 3R(Retiming, Reshaping, Reamplification) 재생기는 WDM 시스템과 광 네트워크의 크기를 쉽게 확장시키기 위하여 필요한 매우 중요한 소자이다. 완전 광 3R 재생기의 구현에서 입력 광 신호로부터 광 클락을 추출하는 기술은 매우 중요한 기술이다. 이러한 광 클락 추출기술을 구현하기 위하여 모드락 레이저 다이오드와 다중 전극 OFB 레이저에서 self-pulsation 현상을 이용하는 방법이 많이 연구되고 있다. 모드락 레이저 다이오드를 이용한 방법은 모드 락킹 주파수가 레이저의 공진기의 길이에 의해서 결정되기 때문에 공진기의 길이를 정확하게 조절해야 한다는 단점을 가지고 있는 반면에 다중 전극 DFB 레이저의 경우 self-pulsation 주파수를 전기적으로 튜닝할 수 있다는 장점을 가지고 있다. (중략)